Cenni di biologia

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 2 ]

Che cos’è la vita?

zucchero di canna

fessura in metallo

particolare di ostracode

sezione di roccia

cianobatteri

cellule staminali

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 3 ]

Che cos’è la vita?

alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi

• forma e grandezza gli esseri viventi hanno generalmente una forma definita e una grandezza

caratteristica

è possibile distinguere l’interno dell’organismo dall’ambiente esterno

l’unità strutturale elementare è la cellula

• riproduzione gli organismi possiedono la capacità di dare origine a altri individui simili

• accrescimento gli esseri viventi si accrescono sviluppando nuove parti fra oppure

all’interno di quelle vecchie

• assorbimento dall’esterno gli organismi sono in grado di prendere e trasformare materia ed energia

dall’ambiente esterno per vivere

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 4 ]

Che cos’è la vita?

alcune caratteristiche comuni a tutti gli esseri viventi

• composizione chimica più del 95% dei tessuti viventi è costituito da quattro elementi chimici:

carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto

• metabolismo gli organismi svolgono costantemente una serie di processi chimici

essenziali per vivere (respirazione, digestione, assimilazione, escrezione)

• irritabilità o eccitabilità gli esseri viventi reagiscono alle modificazioni che avvengono nell’ambiente

esterno

• omeostasi gli organismi sono in grado di mantenere condizioni interne

(organizzazione e composizione) relativamente costanti anche a fronte di cambiamenti dell’ambiente esterno

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 5 ]

L’orologio della vita

Des Marais, D.J. (2005)Palaeobiology: Sea change in sediments.Nature 437: 826-827

vermi policheti delle sorgenti idrotermali abissali

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 6 ]

Il mattone della vita: la cellula

• l’unità fondamentale di tutti gli organismi

• la più piccola struttura classificabile come vivente

procarioti (1-10 µm) eucarioti (10-100 µm)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 7 ]

I processi metabolici

• per vivere ogni organismo deve scambiare energia e materiaal suo interno e con l’esterno

• il metabolismo è l’insiemedelle reazioni chimiche e fisiche che consentono la vita di un organismo

• anabolismo: produzione di molecole complesse a partire da molecole semplici per costruirele componenti cellulari estoccare energia

• catabolismo: degradazionedi molecole complesse a molecole più semplici per produrre energia

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 8 ]

La ricetta della vita: il DNA

• il DNA (acido deossiribonucleico) è una macromolecola che contiene le informazioni genetiche necessarie alla sintesi delle più importanti sostanze che compongono le cellule

• ha la forma di una scala a pioli ritorta, i cui montanti sono formati da molecole di zucchero e di fosfato

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 9 ]

Scienza teorica vs. scienza sperimentale

Rosalind E. Franklin James D. Watson e Francis H.C. Crick

Watson, J.D. & Crick, F.H.C. (1953)A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171: 737-738

Franklin, R. & Gosling, R.G. (1953)Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Nature 171: 740-741

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 10 ]

La codifica dell’informazione

• quattro basi azotate (adenina, citosina, guanina e timina) rappresentano le unità basilari dell’informazione nel DNA

• triplette di basi, dette codoni, codificano uno dei 20 amminoacidi, che sono gli elementi che costituiscono le proteine

• una porzione di DNA che codifica una particolare proteina o altre molecole funzionali costituisce un gene, l’unità ereditariafondamentale

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 11 ]

Un ricettario piccolo piccolo

• la totalità dell’informazione portata dai geni si chiama genoma

• è organizzata in cromosomi eè replicata in ogni cellula diun organismo

• contiene le istruzioni perla costruzione e il funzionamento dell’intero organismo

il genoma del batterio M. pneumoniaeè uno dei più corti conosciuti: “solo” 816 kbp (migliaia di coppie di basi)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 12 ]

Il genoma umano

• il DNA umano è organizzato in23 coppie di cromosomiper un totale di circa 3.2 Gbp

• si stima che contenga circa 20000-25000 geni: 100 volte meno del moscerino della frutta!

• i geni per la codifica delle proteine rappresentanomeno del 2% del genoma

• la funzione della maggior parte delle sequenze è ancora ignota

International Human Genome Sequencing Consortium (2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409: 860-921 (15 feb 2001)

Venter, J.C. et al. (2001) The sequence of the human genome. Science 291: 1304-1351 (16 feb 2001)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 13 ]

http://www.cellsalive.com/mitosis.htm

La replica dell’informazione genetica: la mitosi

diversi stadi della mitosi in cellule radicali di cipolla

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 14 ]

Riproduzione asessuata

fissione binaria nel batterio Escherichia colie in un ciliato (Paramecium sp.)

gemmazione nel lievito Saccaromyces cerevisiaee in un celenterato (Hydra sp.)

moltiplicazione vegetativa nella crassulaceaKalanchoe daigremontiana e in un iris (Iris sp.) rigenerazione in una planaria (Planarium sp.)

e in una stella marina (Lickia sp.)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 15 ]

Ricombinare i geni: la meiosi

• durante la meiosi, una cellula diploide (due copie di ogni cromosoma) genera quattro cellule aploidi (una copia di ogni cromosoma) o gameti

• durante la meiosi si ha scambio di DNA tra cromosomi omologhi (crossing-over)

• l’unione delle informazioni genetiche provenienti dai due genitori unita al crossing-overgarantisce la ricombinazione genetica, che è la base dell’evoluzione

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 16 ]

Riproduzione sessuata nelle piante

piante monoiche: infiorescenze femminilie maschili di betulla(Betula pendula)

piante dioiche: rami di un individuo femminile e di uno maschile di agrifoglio (Ilex aquifolium)

piante monocline: fiore di pesco (Prunus persica) in cui si vedono il pistillo (organo femminile) e gli stami (organo maschile)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 17 ]

Riproduzione sessuata negli animali

ermafroditismo simultaneo:fecondazione reciproca tra due chiocciole (Helix pomatia)

gonocorismo:accoppiamento tra individui di sesso diverso nella coccinella Coccinella septempunctata

ermafroditismo sequenziale:nel sarago maggiore (Diplodus sargus) si ha inversione sessuale da maschio a femmina (proterandria)

in condizioni favorevoli la dafnia (Daphnia magna)si riproduce per partenogenesi, cioè tramite uovanon fecondate che producono sole femmine;in condizioni sfavorevoli (es. inverno) vengono generati anche maschi e si ha riproduzione anfigonica, cioè con accoppiamento

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 18 ]

La biodiversità

specie catalogate: ~1,8 milioni

specie stimate: 5-30 milioni

http://www.cbd.int/

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 19 ]

Sistemi di classificazione degli organismi viventi

Plantae Animalia

Vertebrata

ArthropodaSpermatophyta

Fungi

Bacteria

Algae

come classificare gli esseri viventi?

i 200 colori dei cavalli dei gauchos argentini e le loro 4 piante

dai due regni dell’antichità fino a Linneo... ...alle più recenti (ma in continua evoluzione)classificazioni basate sulla biologia molecolare

si muovono? mangiano? come crescono?no no indefinitamente piantesì sì in maniera finita animali

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 20 ]

L’albero della vita e la teoria della ricapitolazione

«Die Ontogenese rekapituliertdie Phylogenese»

Haeckel E. (1866)Generelle Morphologie der Organismen

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 21 ]

strutture analoghe (stessa funzione) vs. strutture omologhe (stessa origine)

Come raggruppare gli organismi?

coccodrillo uccello balena cavallo pipistrello uomo

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 22 ]

Gli alberi filogenetici

Cavalier-Smith, T. (2010)Deep phylogeny, ancestral groups and the four ages of life. Phil. Trans. R. Soc. B 365: 111-132

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 23 ]

eucarioti

procarioti

Il sistema a cinque regni

Whittaker, R.H. (1969)New concepts of kingdoms of organisms. Science 163: 150-160

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 24 ]

Caratteristiche principali dei cinque regni

Regno tipo di cellula,

organizzazione

nutrizione riproduzione motilità

Monera procariotica,

unicellulare e/o coloniale

autotrofi

(foto- o chemiosintesi),

eterotrofi (assorbimento)

asessuale

(per scissione)

mobili (flagelli)

Protista eucariotica,

unicellulare e/o coloniale

autotrofi (fotosintesi),

eterotrofi (assorbimento

o ingestione)

asessuale

e sessuale

immobili o mobili

(ciglia o flagelli)

Plantae eucariotica con pareti,

pluricellulare con tessuti

autotrofi (fotosintesi) sessuale e asessuale immobili

Fungi eucariotica con pareti,

pluricellulare senza tessuti

definiti

eterotrofi (assorbimento) sessuale e asessuale immobili

Animalia eucariotica senza pareti,

pluricellulare con tessuti

eterotrofi (ingestione) sessuale e asessuale mobili (fibre contrattili)

classificazione secondo Whittaker (1969)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 25 ]

Il (controverso) concetto di specie

• è l’unità tassonomica fondamentale:

dal punto di vista morfologico,un gruppo di organismi distinguibili per un’unica combinazione di caratteri

dal punto di vista biologico,un gruppo di organismi in grado di riprodursi dando origine a prole feconda

dal punto di vista evolutivo,un gruppo di organismi che condivide un progenitore comune e che mantiene la sua integrità nello spazio e nel tempo

dal punto di vista ecologico,un gruppo di organismi adattato a una specifica nicchia ecologica

dal punto di vista genetico,un gruppo di organismi che possono essere accostati geneticamente tra loro prima che ad ogni altro organismo esterno al gruppo

«[...] considero il termine specie come una definizione arbitraria che, per motivi di convenienza, serve a designare un gruppo di individui strettamente simili tra di loro, per cui la specie non differisce granché dalla varietà, intendendosi con questo termine le forme meno distinte e più fluttuanti. Inoltre, anche il termine di varietà viene applicato arbitrariamente per pura praticità nei confronti delle semplici variazioni individuali»(Darwin 1859)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 26 ]

Linneo e la nomenclatura binomia

«Nomina si nescis,perit et cognitio rerum»

• Linneo è considerato il padre della moderna tassonomia

• è stato il primo a applicare estesamente la nomenclatura binomia

Physalis annua ramosissima, ramis angulosis glabris, foliis dentato-serratis diventa, più concisamente, Physalis angulata

Linnæus, C. (1735, 1758)Systema naturæCarl Linnæus

(1707–1778)

Corso di Ecologia | modulo 5: biologia [ 27 ]

La collocazione sistematica della specie umana

Regno Animalia organismi pluricellulari che richiedono come cibo sostanze organiche complesse

Phylum Chordata animali con cordone nervoso dorsale cavo, fessure branchiali faringee in qualche stadio del ciclo vitale

Classe Mammalia piccoli nutriti mediante ghiandole mammarie, pelle ricoperta da pelo, temperatura del corpo elevata, cavità corporea divisa dal diaframma

Ordine Primates animali arboricoli o loro discendenti, generalmente con dita e unghie appiattite, pollice opponibile, senso dell’odorato mediocre.

Famiglia Hominidae faccia piatta, occhi frontali, visione a colori, locomozione bipede, stazione eretta

Genere Homo cervello grosso, linguaggio, infanzia lunga

Specie Homo sapiens mento prominente, fronte alta, peli sparsi sul corpo

immagine di esseri umani,dalla placca della sonda spazialePioneer 10 (lanciata nel 1972)